虛擬化學論文范文

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第1篇

虛擬技術是使相關工作在計算機上實現或通過計算機模擬實現的技術[1]，早在20世紀70年代便開始將其應用于宇航員培訓。由于這是一種消耗低、安全有效的培訓方法，現今已被推廣到各行各業的培訓中，并已在科研、教育、商業、醫療、生物制藥、環境保護、農業生產、娛樂等多個領域得到廣泛應用。在此，只簡單介紹它們在教育、生物制藥和醫療領域的應用狀況。

1.1教育領域

隨著虛擬技術的發展和教學要求的不斷提高，虛擬技術已進入教育領域，并且已成為完成教育工作的一種有效方式。例如利用化學教育軟件，展示化學實驗的流程和結果。學生可以通過使用該軟件，了解和掌握整個實驗過程，然后再進行實踐操作。這樣，既可以減少實驗的危險性，又可以提高學生的學習興趣和效率，減少不必要的浪費。再如利用物理教學軟件，開展“歐姆定律”的講解，其效果生動，且學生便于理解。

1.2生物制藥領域

虛擬技術在生物制藥方面的應用主要是在藥物的設計階段：采用相關的分子設計軟件，設計藥物小分子，模擬小分子與受體的相互作用，預測小分子的生物活性、毒性、排泄、吸收、代謝途徑、代謝物及其各類性質。目前，這種藥物設計模式已被國際專業制藥公司在研發新藥時采用，并與實驗相結合，以達到減少研發消耗，提高研發成功率的目標。1.3醫療領域虛擬技術在醫療領域的應用主要有：手術培訓、手術模擬、醫學影像檢查和臨床診斷。已經報道的“上海交通大學附屬第九人民醫院骨科專家成功完成真正意義上的3D打印骨盆重建手術”，是虛擬技術在醫療領域成功應用的又一案例。

2、化學信息學

化學信息學的研究領域并未經過刻意界定，很多化學家在各自不同的研究領域中力爭發展和采用計算機的方法來處理大量涌現的化學信息，建立化合物的結構與性質的關系。在20世紀60年代，化學信息學的發展已初見端倪，到了70年代開始出現了颶風式的發展。因此，相關的化學信息學的定義有多種。

比較典型的有以下一些論述。

（1）采用分子模擬和數據分析技術與高分辨圖形顯示組合，得到了令人驚訝的結果。因此，化學信息學是通過應用信息技術幫助化學家研究新問題、組織并分析科學數據，以研發新化合物、新材料的過程。

（2）很多人認為化學信息學是化學信息的擴展，它涵蓋了與化學結構、數據存儲和計算方法相關的領域，如化合物登記系統、在線化學文獻、結構-活性關系分析和分子性質計算[3]。化學信息學作為一個學科名稱來說是很新的，但我們可以體會到，它存在于我們周圍已經有了一段時間。不同的階段常會給出不同的化學信息學的定義。

所以，在討論這些不同觀點的時候，我們認為“化學信息學是一門應用信息學方法和計算機技術來輔助解決化學問題的學科”[4]這個論述更具有普適性。

化學信息學方法主要有三種，即基于數據、基于邏輯和基于原理。

（1）基于數據的方法建立和利用多種化學數據庫管理系統和化學數據庫中的數據。該方法主要的作用是在數據庫中獲得已記錄的相關信息。

（2）基于邏輯的方法利用已有的化學數據庫中的數據，并在此基礎上，利用歸納、推理和分類等方法將數據轉化為知識，并對知識實施有效的管理，以便于知識得到廣泛的應用。最終，能用于解決實際的化學問題。該方法適用于大量數據的處理，對象具有比較強的規律性。同時，它能解決數據庫系統不能解決的問題。

（3）基于原理的方法利用已有的量子化學的理論，對化學對象作相關的量化計算，并根據計算結果，研究對應的化學問題。該方法能從原理上解釋化學問題，但不適用于大批數據和大的體系的處理。在化學研究中，這三種方法相輔相成。對于不同的研究對象或不同的研究階段，采用對應的方法組合。

3、化學研究

化學是研究物質的組成、結構、性質和變化規律的科學。有機化學是研究有機化合物的來源、制備、結構、性質、用途和有關理論的一門學科，由于有機化合物都含有碳，同時以碳、氫化合物為母體，因此這門學科又可稱為“碳化合物的化學”或“碳氫化合物及其衍生物的化學”，隨著這門學科的發展，誕生出了高分子化學、元素有機化學等新學科，為合成染料、橡膠、纖維、藥物、塑料等有機化學工業建立了理論基礎?；瘜W的研究內容主要可歸納為三部分：分子設計、合成設計和結構確定。利用相關技術設計具有特定功能的化合物即為分子設計[5]；利用相關技術設計特定化合物的合成路線即是合成設計；結構確定包括兩部分：結構解析和譜圖模擬。結構解析是根據已有的化學譜圖，推測對應的化學結構。譜圖模擬是基于化合物的化學結構，預測其化學譜圖?；瘜W是重要的基礎科學之一，它也是一門建立在實驗基礎上的科學。在化學研究中實驗和理論這兩方面一直是相互依賴、彼此促進的。化學是一門古老而歷史悠久的科學，它的研究模式為靈感、經驗和實驗（見圖1）。長期實驗數據的積累，為現在和今后的化學研究提供了寶貴的財富。截至2013年12月，已有記載的小分子化合物達7600多萬個，化學反應約5580萬個。要有效應用如此大量的研究和實驗數據，只有采用信息技術才能實現。在此，我們提出了化學研究的現代模式，即在化學研究的傳統模式中融入虛擬技術（見圖2）。分子設計是化學研究的內容之一。傳統模式的分子設計流程如圖3所示，某種化合物的性質，通常是在得到化合物之后，經過實驗測試才可獲得對應的性質。現代模式的分子設計流程如圖4所示，化合物的性質，可以用相關軟件預測獲得。根據獲得的預測結果和經驗，決定是否要合成該化合物。圖3和圖4中的分子設計流程顯示，兩者的差異主要在合成之前。傳統模式在合成之前的分析工作僅以文獻信息作為判斷依據。而現代模式，既以文獻信息作為判斷依據，又以軟件預測結果作為分析判斷依據。從原理上講，采用現代模式合成的化合物，其符合需求的成功率要高于傳統模式，研究過程中產生污染的幾率要比傳統模式的低。

4、結論

第2篇

（一）實驗分析

高錳酸鉀制取氧氣是利用酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽等儀器，通過加熱高錳酸鉀制取氧氣，利用排水法來收集氧氣。學生不僅要掌握實驗原理、目的，實驗儀器和藥品的使用方法及注意事項，實驗步驟、化學方程式的書寫等內容，還要培養觀察、分析能力和實踐操作能力。

（二）《高錳酸鉀制取氧氣》的實驗目的

（1）通過虛擬實驗中的文本展示工具，使學習者了解實驗目的、原理和方法。

（2）通過對虛擬實驗的操作，掌握藥品的選擇以及儀器連接的先后順序，能夠動手制取氧氣。

（3）通過對實驗過程、現象的觀察、分析實驗反應機制，加深對實驗的認知和理解。

（三）《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗活動設計

學生要完成虛擬實驗首先需要安裝Secondlife客戶端，進入Secondlife虛擬環境，通過以下流程完成整個虛擬實驗。

（1）準備階段：學習者通過Secondlife提供的地圖工具搜索到虛擬實驗室地標并通過瞬間移動工具進入虛擬實驗室。

（2）實驗階段：學習者通過人-機交互選擇事先通過3D建模工具創建好的虛擬實驗儀器、藥品并通過資源工具查詢相關儀器的使用方法及實驗裝置圖，完成實驗儀器的裝置；點擊各個實驗儀器、添加藥品來完成實驗。

（3）評價反饋階段：教師根據學生提交的實驗報告和學習者的學習記錄對學習者本次實驗進行一個綜合評價，并將評價結果通過評價反饋系統及時反饋給學習者。

二、《高錳酸鉀制取氧氣》的虛擬實驗環境設計

本研究以《高錳酸鉀制取氧氣》為例設計的虛擬實驗環境。以實驗過程的設計為理論基礎從場景及模型設計、交互設計、支持工具設計、特效設計、評價設計這幾方面設計三維虛擬實驗環境。

（一）實驗環境的場景及模型主要虛擬教室、虛擬實驗室和儀器設備組成

虛擬教室由講臺、桌椅、多媒體系統、音響設備、電子白板、書柜、書、電腦組成，供學習者實驗后進行交流、報告、探究、形成實驗結論。虛擬實驗室主要由實驗環境、實驗操作臺、水池、藥品柜、滅火設備為為學習者完成實驗并獲取實驗數據。儀器設備主要是酒精燈、試管、鐵架臺、導管、集氣瓶、水槽、鐵夾、燒杯。藥品耗材主要是高錳酸鉀等。

（二）交互系統設計

（1）人機交互設計：在實驗中通過操作交互，學習者能夠感受到實驗設備的控制感和體驗感。在Secondlife中，利用創建工具可以實現簡單的“點擊”“移動”“坐在上面”等操作，Secondlife提供的林登腳本語言可以設置改變物體的性質、運動方式、運動軌跡、對外力的反應等等，能夠較好地支持學習者的操作交互。

（2）交流工具：學習者在實驗過程中和老師、同伴交流的方式主要有在線的同步交流和異步交流。

（三）支持工具設計

實驗支持工具是指支持學習者完成實驗的所有工具，本研究的支持工具主要包括搜索工具、資源工具、實驗認知工具、評價反饋工具等。搜索工具主要是地圖工具和瞬間移動工具通過它們是搜索定位各種學習場所、用戶，并瞬間移動到目的地。資源工具包含Secondlife內部資源和外部資源。內部資源主要是3D瀏覽器；外部資源包括各大搜索引擎。這些工具可以搜索Secondlife內部和外部各種信息資源實驗認知工具主要包括3D建模工具、拍攝工具、記事本工具主要為為實驗過程中學習者觀察記錄實驗現象、采集數據提供支持。評價反饋工具主要包括問卷系統（choicer、Quizchair）、學習記錄系統（Tracker）、Web-Intercom，為實驗后學習者自評、反思以及教師評價反饋提供支持。

（四）特效設計

在Secondlife中，通過粒子系統結合林登腳本語言可以營造煙霧、火焰、氣體、雪花等各種現象。在本實驗中酒精燈加熱的火焰、水槽里面的氣泡、集氣瓶中的氧氣、反應過程中的煙霧、藥品晶體的狀態變化等效果都可以通過粒子系統來實現。

三、結論

第3篇

虛擬機可以通過軟件來模擬完整的硬件系統，在一臺物理計算機上可以利用虛擬機同時安裝、運行多個虛擬的操作系統（以下簡稱GuestOS，即安裝在虛擬機中的操作系統），如WinXP、Win7、WindowServer2008、Linux等，各系統間可以同時運行且互不干擾，也可以組建成一個網絡，多系統間也可以進行靈活切換，從而在節約資源的情況下方便地完成各種測試與開發。目前在信息化教學中比較常用的虛擬機軟件主要有VirtualPC、VMware。兩種虛擬機均能支持Dos、Windows、Unix、Linux等GuestOS，安裝GuestOS時均可采用物理光盤或使用ISO鏡像文件，GuestOS均有bridged(橋接模式)、NAT(網絡地址轉換模式)和host-only(僅主機模式)三種網絡工作模式，安裝后的GuestOS和HostOS（即物理計算機上安裝的操作系統）是相互隔離的，但鼠標指針均可以在二者之間隨意移動、拖放文件，而且GuestOS均具有磁盤還原功能。VirtualPC是微軟開發的虛擬機，對Windows操作系統具有較強的兼容性；最新版本VirtualPC2007漢化安裝包僅27MB左右，安裝快速，約90秒即可完成安裝；GuestOS的硬盤和內存大小按實際使用動態增減，VirutalPC虛擬了一個通用的顯卡：S3Trio32/64(4M)，還虛擬了串口和并口。而VMwareWorkStaion6.0之后的各版本安裝包均在400MB以上，安裝時間較長、較繁；GuestOS的硬盤容量在設定后不可調整，但可增加硬盤數量；分配多少內存，即使不用，也占用著，不可被其他地方調用，因而基于VMware的GuestOS比較耗資源。但VMware更新最快，支持最新的各種操作系統，可以虛擬出除串口、并口外的USB、打印機等，而且VMwareWorkStation自9.0起具有更出色的3D圖形技術。VMwareWorkstation具有更快的3D圖形處理能力，支持在Windows和最新Linux虛擬機中使用DirectX9.0cShaderModel3和OpenGL2.13D圖形技術，因此可以輕松地滿足AutoCAD、Solidworks和許多最新游戲等3D應用的嚴苛要求[1]。對比VirtualPC和VMware，如果要安裝Windows系統，且所要使用的軟件對顯存要求不高，對GuestOS的設置也比較簡單，則建議使用輕巧型的VirutalPC；若是需要安裝非Windows系統，或體驗最新的各種操作系統，或軟件對顯存要求較高，或需要更多的硬件虛擬時，建議使用VMware。

2虛擬機在中職信息化教學中應用

2.1應用一：教學環境隨身帶

GuestOS在HostOS中只是一個虛擬硬盤文件，文件大小即GuestOS實際消耗的硬盤空間，如GuestOS為純凈的WindowsXP或WindowsServer2003，虛擬硬盤文件大小一般不超過2GB，便于存儲在U盤或移動硬盤隨身攜帶。由于VirtualPC和VMware都可以直接使用虛擬硬盤文件打開相應的GuestOS，所以對于一些特殊的教學環境，教師可以事先在GuestOS中配置好，或直接將實訓室的實訓環境通過鏡像方式Ghost安裝到GuestOS中，然后將虛擬硬盤文件存放在U盤或移動硬盤中，隨身攜帶，這樣只要所用計算機上安裝了相應的虛擬機就可以把虛擬硬盤文件拷到計算機上使用，這樣既方便了備課，又方便了上課。當然，經實踐證明，如果是存放在USB3.0的U盤或移動硬盤上，則可在USB3.0的移動設備上直接運行GuestOS，這樣省去了拷貝虛擬硬盤文件時間，大大提高使用效率和便靈活性。VirutalPC安裝快速，操作簡單，相對于VirutalPC，VMware的硬件虛擬更強大，磁盤使用效率更高，更突出優勢，若某些軟件在VirtualPC無法運行時，不妨使用VMware。但由于VMware安裝較繁瑣、耗時，若要使用VMware，則建議先在常用的多媒體教室或實訓室安裝好VMware，以免影響課堂進度。

2.2應用二：節省設備投入，提高實訓教學效果

2.2.1方便教師搭建服務器，提高實訓教學效果

在實訓教學中，將用于考試或文件共享等專門用途的ServerOS安裝在教師機的虛擬機上，則每間實訓室可節省1臺服務器計算機。在虛擬機上安裝ServerOS后，教師可方便地實現在WindowServer2003的GuestOS中搭建各種服務器，如文件服務器。在建好文件服務器后，可以通過特定軟件實現為每個學生機建立一塊相互隔離的個人空間，這樣既方便了學生提交作業，也方便每次課將上次未完成的作業對應地發送給學生。

2.2.2方便學生搭建實訓平臺，進行實訓、測試，強化技能

（1）在計算機實訓中，每個學生均可利用一臺計算機同時操作多個GuestOS，進行完整的實訓測試，不僅提高了實訓設備的使用效率，還可以讓每個學生系統、全面地掌握相關技能，而不局限于分工合作后的局部技能，如網站建設與測試、網絡攻防測試等。（2）由于HostOS與GuestOS是隔離的，所以在GuestOS中不管是分區、中病毒、死機，還是安裝各種軟件，都不會影響HostOS。在HostOS中，GuestOS僅表現為一個或多個數據文件，所以諸如系統安裝、磁盤操作、分區調整、數據刪除與恢復測試、病毒防治、網絡安全攻防測試之類會損壞HostOS的實訓，就可以放心地讓學生在GuestOS中進行反復實訓，這樣學生的專業技能也能得到更好的強化。

2.2.3方便準備不固定實訓場所的實訓環境

（1）對于臨時調整實訓室時，經常會遇到學生機缺少實訓環境，教師可以利用如凌波多媒體網絡教室軟件、飛鴿傳書等局域網文件傳送軟件，快速地將配置好實訓環境的虛擬硬盤文件傳送給學生，學生就能在虛擬機的實訓環境中正常完成實訓。（2）對于一些非正常教學的培訓，學生機中缺少培訓所需軟件，或軟件版本不同，則可將培訓所要的軟件安裝到GuestOS中，傳送到學生機上，從而減少了對所有學生機因不同需求反復安裝的麻煩。

2.3應用三：錄制實訓教學視頻